基于GT-power 的DPF 捕集效率影响因素研究

刘彪 唐成章 毛天美 黄杨 莫书婷 吴雪

兴义民族师范学院 物理与工程技术学院 贵州省兴义市 562400

1 引言

由于柴油机比汽油机具有更高的压缩比、经济性和动力性，以柴油机为动力的车辆保有量迅猛增加[1,2]。根据公安部最新数据统计，截至2022年3月，我国机动车保有量已达4.02亿辆，其中汽车达到3.07 亿辆。柴油机的主要排放物为氮氧化物（NOx）和微粒物（PM），根据中国移动源环境管理年报相关数据显示，2020 年，全国汽车一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）排放量分别为693.8 万吨、172.4 万吨、613.7 万吨、6.4 万吨。其中，柴油车排放的氮氧化物（NOx）占汽车排放总量的80%以上，颗粒物（PM）占90%以上[3]。由此可见柴油机的颗粒物排放仍是汽车尾气污染物排放的主要贡献者。

柴油机尾气中产生的PM2.5 对导致人们发生各种疾病，如支气管炎，心脏病和胎儿发育迟缓等对人体健康的危害[4-6]。不仅如此，空气中PM2.5 的浓度高低还会影响人们生活环境中的可见度。由PM 引起的雾霾天气也在频繁发生，而这种环境问题已成为目前世界各地广泛关注和讨论的热点。造成雾霾天气的最大原因便是空气中存在的PM2.5超标，然而这些超标的污染物通常会被人们认为是来源于中重型汽车排放尾气[7-9]。目前环境污染问题亟需人们解决，所以降低重型机动车PM 的排放已经成为柴油机技术发展的关键。同时，降低汽车微粒排放，提升环境质量，降低汽车尾气污染，提高DPF 的捕集效率尤为重要[10,11]。

文章利用GT-power 软件搭建DPF 仿真模型，利用控制变量法研究不同通道长度、孔隙率、载体壁厚和壁面渗透率对DPF 捕集效率的影响，以期为优化改进DPF 装置提供科学依据。

2 DPF 仿真模型搭建

2.1 模型参数

发动机需要和后处理装置进行良好的匹配，才能确保发动机的各项性能指标不受影响而正常工作运转。尤其是柴油机需要与之匹配一款各项基本参数均符合要求的微粒捕集器协同工作，确保达到相关排放指标。文章中的发动机参数和与之匹配的DPF 结构参数如表1 和表2 所示。

表1 发动机各基本参数

表2 各参数设定值

载体直径和载体长度决定了DPF 作用载体的尺寸大小，通道密度决定了载体过滤通道的数量，而过滤壁厚度、过滤壁孔隙率以及过滤壁渗透率等参数则是决定了过滤体对颗粒物过滤作用的效果。因此这些参数的改变都会对颗粒物的捕集过滤过程产生影响。

2.2 模型验证与建立

DPF 仿真模型主要由进出口边界、载体模块以及参数分析模块等组成。DPF 入口边界条件在进口边界模块设定，如排气温度、流量和组分等；载体模块是DPF 消除颗粒物的载体和介质。此外模型中设置了颗粒物检测模块，压降检测模块和温度检测模块，可以方便查看后处理系统的指标参数，监测DPF 的捕集效率和压降。

图1 中试验值为参考唐成章论文《不同海拔下DPF 碳烟加载及再生特性研究》[1]所得。从图中可以看出，仿真数据与试验数据有着较好的合理性，且两者的误差在5%以内，所以此模型满足仿真计算要求，经过不断对模型进行调试，最终搭建好的仿真模型如图2所示。

图1 压降验证

图2 DPF 仿真模型

3 DPF 捕集效率的影响因素分析

3.1 不同载体直径对DPF 捕集效率的影响

载体指的是DPF 中间过滤颗粒物部分也就是DPF 中蜂窝状部分。不同排量的发动机需要与之匹配不同大小的DPF，而最直接的体现就是DPF 载体的直径。图3 所示为载体直径对捕集效率的影响。所取载体直径分别为200mm、250mm、300mm 这三个值进行分析，从图中可以看出，随着载体直径的增大，DPF 的捕集效率越来越好，这是因为载体直径的增大使得载体中过滤体的有效作用面积增大，因此对于颗粒物的捕集更加高效，从而提升了DPF 的捕集效率。

图3 载体直径对捕集效率的影响

3.2 不同载体长度对DPF 捕集效率的影响

图4 所示为载体长度对捕集效率的影响。所取载体长度分别为100mm、200mm、300mm 这三个值进行分析，从图中可以看出，载体长度对于DPF 捕集效率的影响与载体直径基本相同，捕集效率随着载体长度的增大而升高，而出现这种现象的原因在于增大载体长度的效果和增大载体直径相同。

图4 载体长度对捕集效率的影响

3.3 不同载体壁厚对DPF 捕集效率的影响

DPF 的载体壁厚是其装置的一个重要参数，载体壁的厚度不同会导致DPF 内部气体的流动阻力不同，影响DPF 的压降，从而影响DPF 的捕集效率。如图5 所示为过滤壁厚度对捕集效率的影响。分别取0.3mm、0.4mm、0.5mm 这三个值为载体壁厚度，这里从图中可以看出，DPF 对尾气中颗粒物的捕集效率随着载体壁厚的增大而增大，载体壁厚度越大，尾气穿过载体壁的阻力就越大，对颗粒物的拦截作用越强，因此捕集效果越好。这是因为随着载体壁厚的增加，DPF 内部的气体的流程阻力越大，就会导致更多的PM 被捕集在载体壁上，进而提高DPF 的捕集效率。

图5 载体壁厚对捕集效率的影响

3.4 不同载体渗透率对DPF 捕集效率的影响

DPF 中载体的渗透率是指在压差一定的情况下，载体允许气流通过的能力渗透率越大表明排气越容易通过过滤壁到达相邻通道。图6 所示为载体渗透率对捕集效率的影响。从图中可以看出，载体渗透率对捕集效率有不利影响，渗透率越大，捕集效率越低，原因是因为随着渗透率的增大，DPF 通道内的气体流动速度增大，流动阻力减小，更多的颗粒物就会随着小孔渗透到大气中，增加大气污染。因此在选择载体过滤体材料时，不宜选择渗透率过大的材料，否则会对DPF 性能造成不利影响。

图6 过滤壁渗透率对捕集效率的影响

3.5 不同孔隙率对DPF 捕集效率的影响

孔隙率是指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比，而孔隙率的大小表示了材料的密实程度，材料的孔隙率高，则表示密实程度小[12]。这里取0.35mm、0.45mm、0.55mm 这三个值进行孔隙率对捕集效率的影响，图7 所示为载体孔隙率对捕集效率的影响，从图中可以看出，捕集效率随着过滤壁孔隙率的增大而增大，说明较大的载体孔隙率更加有利于颗粒物的捕集。

图7 过滤壁孔隙率对捕集效率的影响

4 结论

当下，我国经济发展已经从高速发展阶段过渡到高质量发展阶段。汽车的保有量随着经济的发展仍然在不断剧烈增长，由此带来的环境问题一直是人们关注焦点，特别是各大城市雾霾天气的频繁出现，而柴油机排放的尾气是引起雾霾天气的主要原因之一。随着尾气排放法的限定值越来越严，仅仅只通过前处理和机体内的净化显然已经达不到排放法的规定，所以后处理技术是降低柴油机尾气污染物有效措施之一。目前柴油颗粒捕集器相较其他后处理装置来说是最成熟的后处理技术。因此研究DPF 不同结构参数对DPF 捕集效率的影响，优化改进DPF 结构，进而提升捕集效率，降低环境污染。本文运用GT-power 软件建立DPF 一维模型，主要从DPF 的结构参数方面进行分析对捕集效率的影响，其分析结果如下：

（1）从DPF 的结构参数上来看，随着DPF 载体直径和载体长度的增大，DPF 的捕集效率越高，且相对于其他参数而言，这两个参数对DPF 的捕集效率影响更大，因此可以考虑改变DPF 的载体直径和载体长度来达到提升捕集效率的目的，但是也要科学改变参数，达到DPF 和发动机完美的匹配。

（2）从DPF 的过滤壁参数上来看，DPF 的捕集效率随着载体的壁厚和孔隙率的增加而增大，随着载体壁面渗透率的增加而下降。但这三个因素对DPF 捕集效率影响不够明显。